淠史杭灌區渠道水生植物過度生長影響因素及防治措施

張永生 *，李海英 ，李站，洪忠

1. 中國水利水電科學研究院，北京 100038；2. 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；3. 深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518000

淠史杭灌區是中國最大的灌區，重要的糧食產地（黃常軍，2019；朱紅，2019；盧仁杰，2019），隨著灌區近幾年工農業發展和人口的增加，渠道內水質呈富營養化狀態，導致渠道內水生植物過度繁殖（瞿大界等，2019；陳衛東，2016），引起輸水能力和防洪功能下降，嚴重影響了灌區效益的發揮（黃常軍等，2019）。分析影響灌區渠道內水生植物生長因素，探討水生植物的去除措施，對灌區發揮更大的生態和經濟效益有重大意義。

目前關于水生植物的研究主要集中在湖泊、河道等水域（鄭博穎等，2011；林高瑞等，2018；康麗娟等，2020；Deng et al.，2016），但對于以輸水為主的灌區渠道水生植物研究較少，中國大部分灌區渠道內“雜草重生”，黃國水等人在江西省贛撫平原灌區，通過清除渠道內水生植物，對比前后水體流速、流量和糙率，分析水生植物對灌區渠道輸水能力和水質的影響，結果表明水生植物去除后渠道輸水能力和水質得到明顯改善（黃國水等，2013）。

水生植物對水質有凈化作用，通過構建生態浮島或沉水植物群落吸收富營養化水體中的氮磷元素，降低水體富營養化程度（Lv et al.，2019；鄭博穎等，2011；Dembowska et al.，2018；Ding et al.，2018；Gao et al.，2017；Tanner et al.，2002）。但是水生植物腐爛后向水體中釋放氮、磷等生源要素（Zhou et al.，2018；Wang et al.，2018；徐偉偉等，2015；Li et al.，2014；陳志剛等，2017）、改變了水體光環境（Paerl et al.，2008），誘導了藻華或湖泛的發生，又增加湖泊的富營養化程度（Shen et al.，2014）。目前對水生植物的去除主要措施是人工打撈（沈顏奕等，2017；John，2000；Güsewell，2003），未見針對某一種特定水生植物的打撈方案，也沒有對打撈時間提出合理化建議，不僅導致人工打撈常態化，而且也增加了人工打撈的工作量；減低水體富營養化，減少水生植物營養來源也是去除措施之一（Yao et al.，2020；陳默等，2020），但該措施周期長，效果不明顯，而且受水體富營養化條件限制，可操作性不強；底泥疏浚對去除沉水植物和挺水植物效果最好，但是目前底泥疏浚主要是環保疏浚（Liu et al.，2017；Kim et al.，2019），以去除水生植物為目的的生態疏浚報道較少，也未見其相關疏浚的方案。

基于上述情況，本研究調查淠史杭灌區渠道內水生植物類型及生物量，分析了水生植物過度繁殖原因，并基于影響水生植物生長因素探討了水生植物去除措施，以期為中國其它灌區渠道內水生植物去除、灌區調水運行管理提供參考數據，為灌區發揮更大的生態和經濟效益奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 研究地點

淠史杭灌區位于安徽省和河南省境內，包括淠河灌區、史河灌區、杭埠河灌區及河南省梅山灌區，是中國最大的灌區，始建于 1958年，主要以灌溉水稻為主，兼顧向六安和合肥供飲用水。灌區包括2條總干渠，11條干渠，19條分干渠，總長1384 km（黃常軍，2019；朱紅，2019；盧仁杰，2019）。

1.2 調查點位

為了較為全面的調查水生植物類型及分布，在總干渠和干渠分別選取3個點位采集水生植物樣本（表1）。其中總干渠選擇淠河渠段為研究對象，干渠選擇汲東干渠為研究對象。

1.3 調查時間

根據前期調研，淮河流域和淠史杭灌區的水生植物暴發大部分發生在夏季，為了盡可能的全面調查灌區的水生植物，分別2018年4、7、9月，分3次調查水生植物類型。

1.4 水生植物采集方法

每個采樣點取3個樣方，每個樣方為2 m×2 m正方形樣地，在每個樣方中對挺水植物、浮水植物和沉水植物分類采集；

挺水植物：樣方四周插上竹竿，用繩索區分邊界，將樣方內的挺水植株全株連根（含地下莖）拔起洗凈。

浮水植物：制作邊長為2 m的正方形木框架，首位連接，連接點固定。浮水植物密度較大區域，可直接將樣方內浮水植物撈起、洗凈；對于浮水植物密度不大的區域，將樣方內的浮水植物逐一收集，洗凈。

沉水植物：樣方四角插上竹竿，采樣人員潛入水中，將竹竿范圍內的植株連同根莖全部挖取，打撈上岸邊后逐一分類、洗凈。

對所有水生植物打撈上岸清洗干凈后立刻進行鑒別，對無法鑒別的水生植物或不能確認的水生植物類型分別裝入有號碼的樣品袋內，帶回實驗室進一步進行生物學鑒定。

1.5 生物量的估算方法

本課題采用水生植物鮮重衡量水生植物生物量，鮮量為樣品不滴水時的稱量。由于淠史杭灌區總干渠和干渠較長，無法采集全部水生植物，而且水生植物分布并不均勻，水生植物面積很難測量，估算水生植物總量誤差較大，而且意義不大，因此本課題選擇在水生植物較多的區域，采用單位面積內水生植物鮮重衡量水生植物的生物量。

單位面積的水生植物生物量計算方式如下：

式中：mf為單位面積的水生植物生物量，kg·m-2；m1為樣品鮮量，kg；A為樣品面積，m2。單位面積的水生植物生物量為多次稱質量的平均值。

1.6 數據分析

每個點位水生植物生物量、光照強度和水質指標監測重復3次，取其平均；相關性分析利用SPSS 16.0處理，P＜0.05為顯著性相關，P＜0.01時為極顯著相關。

2 結果與分析

2.1 水生植物類型

4月，總干渠和干渠的水生植物較少（表2），可能是由于此時溫度較低，各種水生植物處于萌芽狀態，水生植物體型較小，加之野外水生植物采集難度較大，因此采集到水生植物類型較少。

表1 水生植物采集點位及選擇標準Table 1 The location and selection basis of points

表2 淠史杭灌區渠道主要水生植物類型Table 2 The main kinds of aquatic plants in Pishihang district

7月和9月的水生植物類型較多，沉水植物、挺水植物和浮水植物均有發現，其中總干渠數量較多的水生植物有10種，干渠數量較多的有12種，還有少量的荸薺、茨菰和茶菱（表2）。

2.2 水生植物生物量

3次生物量測定，沉水植物的生物量均最大，由此可知在淠史杭灌區渠道內，水生植物以沉水植物為主，其次是挺水植物，浮水植物最少。4月沉水植物、挺水植物和浮水植物的單位面積生物量分別為57.60、13.00、9.00 kg·m-2，7月分別為60.99、27.40、16.71 kg·m-2，9 月分別為 62.21、27.50、17.50 kg·m-2。

對于每一種水生植物而言，不同點位其生物量也不盡相同（表3）。以7月為例，點位1處鳳眼蓮占有絕對優勢，單位面積生物量高達12.5 kg·m-2，占到該點位總生物量的71.8%；點位2主要以沉水植物為主，主要水生植物為苦草、菹草、馬來眼子菜和空心蓮子草，生物量分別為3.4、4.1、3.9、2.7 kg·m-2；點位3和點位2類似，主要以沉水植物為主，主要水生植物為苦草、菹草、馬來眼子菜和空心蓮子草，生物量分別為3、3.8、3.8、2.9 kg·m-2；點位4水生植物的生物量較大，主要沉水植物和挺水植物，沉水植物的生物量相對均衡，主要有：苦草、菹草和馬來眼子菜，生物量分別為2.6、3.3、2.8 kg·m-2，挺水植物主要有蘆葦、空心蓮子草和蒲草，生物量分別為3.1、3.6、2.1 kg·m-2；點位5同種類型水生植物生物量比較均衡，沉水植物主要為苦草、菹草、馬來眼子菜、金魚藻和輪葉黑藻，生物量分別為 2.6、2.5、2.6、2.1、2.5 kg·m-2，挺水植物的生物量相對均衡，蘆葦1.9 kg·m-2、蒲草1.0 kg·m-2、茭白 1.3 kg·m-2，浮水植物茶菱和浮萍的生物量分別為 1.1 kg·m-2和 1 kg·m-2；點位 6 水生植物類型較少，生物量極低，主要是小眼子菜、荇草和浮萍，共計 0.1 kg·m-2。

表3 不同點位單位面積生物量Table 3 The biomass of aquatic plants in different locations kg·m-2

2.3 水生植物影響因素

2.3.1 環境因素

（1）氣溫

根據安徽省六安市氣象局公布數據，淠史杭灌區4月溫度大約在10—21 ℃之間，7月溫度大約在22—33 ℃之間，9月溫度大約在13—25 ℃之間（表4）。

淠史杭4月的溫度大約10—21 ℃，是菹草適宜生長溫度，但低于主要水生植物的適宜生長溫度15—30 ℃（周彥鋒等，2019），在此期間菹草生物量應該最大，該結論在表3中也得到證實；7月溫度大約22—33 ℃，是主要水生植物（除菹草之外的）適應生長溫度，此時生物量最大；9月雖比 7月溫度略低，依然是水生植物的生長適宜溫度，只是水生植物的生長率可能會降低。

（2）光照

水生植物通過光合作用產生自身生長物質（Ellawala et al.，2013；Cao et al.，2015；Li et al.，2013；Xiao et al.，2010）。水體濁度和透明度不同，水生植物利用光照的效率也不同（Chang et al.，2019）。淠史杭灌區渠道內，光強變化隨水深的增加而減弱（圖1）。總干渠中的點位1、點位2和點位 3，當水深至 3.0 m左右，光強趨向0 μmol·m-2·s-1，在干渠點位4、點位5和點位6，當水深至1.0 m左右，光強趨向 0 μmol·m-2·s-1。因此對于沉水植物來說，在總干渠比在干渠有更大的生存空間，總干渠的生長條件遠遠的好于干渠的生長條件。

（3）相關性分析

通過對生物量和氣溫及光照的相關性分析，結果表明生物量與這兩者的相關系數都具有極顯著性正相關，相關系數高達0.893和0.876，說明氣溫和光照是影響淠史杭灌區渠道水生植物的生長的重要因素。

2.3.2 水體富營養化因素

水生植物的生長不僅受到溫度光照的影響，而且受到水體富營養化程度的影響（高敏等，2015；Kufel et al.，2016；Yuan et al.，2018；Pelechaty et al.，2013）。淠史杭灌區水質指標分布特征：總氮在點位1處濃度小于1.5 mg·L-1，屬于Ⅳ類水，其它點位均超過地表水Ⅴ類水標準；總干渠氨氮濃度高于干渠，總干渠3個點位處氨氮濃度差異不顯著；總磷濃度在總干渠點位2處最高，點位3處最低，在干渠點位4的濃度最高，點位5和點位6的濃度差異不顯著；氧化還原電位在總干渠中從點位1到點3呈逐漸升高趨勢，干渠中各點位差異不顯著；總干渠的電導率比干渠高，說明總干渠水體的帶電粒子比干渠水體帶電粒子多，該結論在可溶解性總固體的分布特征得到驗證；總干渠的溶解氧顯著地低于干渠，點位2的溶解氧濃度最低；6個點位處水質pH值均大于7，呈現弱堿性，比較適宜水生植物的生長；總干渠的濁度較低，利于水生植物光合作用，干渠的濁度顯著的高于總干渠，但是干渠的水深較淺，水生植物依然可以較容易地利用到光照進行光合作用（圖2）。

表4 主要水生植物適宜生長溫度及淠史杭灌區4、7、9月溫度狀況Table 4 Suitable growing temperature for aquatic plants and temperature of April, July and September in in the Pishihang District ℃

圖1 淠史杭灌區點位1—6光強的趨勢圖Fig. 1 The light intensity at 6 pionts in the Pishihang District

根據水生植物生物量和水質指標的相關性分析，水生植物生物量與氨氮呈顯著正相關，相關系數為0.76，說明水生植物主要利用水體中的氨氮作為營養，水生植物生物量和濁度呈顯著負相關，相關系數為-0.74，可能濁度影響到光強，間接的影響水生植物的光合作用；水生植物生物量與總氮、總磷、溶解氧和pH值呈正相關，相關系數分別為0.54、0.39、0.51和0.62；水生植物生物量和電導率呈負向相關，相關系數為-0.41。由表5可見，水生植物的生長受到水質中氨氮和濁度影響最大，pH值和總氮等也是影響水生植物生長的重要因素。

2.3.3 水文情勢因素

（1）流速

野外監測結果表明，總干渠的流速相對變化差異較小，4月的流速約為1.1 m·s-1，在7月的流速2.4—2.8 m·s-1，9 月份的流速 1.4—1.6 m·s-1；干渠的流速4月為0.9—1.4 m·s-1，7月份流速1.0—3.2 m·s-1，9月份流速 1.2—1.6 m·s-1，干渠流速自上游到下游逐漸降低趨勢（表6）。

圖2 淠史杭灌區水體富營養化現狀Fig. 2 Current situation of eutrophication of water in the Pishihang District

表5 水生植物生物量和水質指標相關系數Table 5 The correlation between biomass with water quality

表6 4、7、9月不同點位的流速Table 6 Flow velocity at 6 points in April, July and September m·s-1

對流速和生物量進行相關性分析表明：水生植物生物量與流速呈負相關，相關系數為-0.54，說明流速越大，對水生植物的生物量降低效果越明顯，因此推測流速是影響水生植物生長的一個重要因素。

（2）水深

點位1處，左右離岸邊20 m處的底泥坡度僅分別為0.155和0.05；點位2處，左右離岸邊20 m處的底泥坡度僅分別為0.23和0.05；點位3處，左右離岸邊20 m處的底泥坡度僅分別為0.12和0.05；干渠的底泥橫剖面較為規整，點位4的底泥坡度約為0.5，點位5的底泥坡度約為0.2，點位6的底泥坡度約為0.16（圖3）。根據《淠史杭灌區淠河總干渠可研報告》，總干渠的坡度系數為2.5—3之間，由此可知，不管總干渠還是干渠，渠道內存在不同程度的淤泥現象。

以點位1為例，生物量從左岸到右岸呈波浪式變化（圖4）。從左岸0 m到左岸10 m左右，生物量呈增加趨勢，距離左岸10 m左右生物量最大約為22.1 kg·m-2，此位置水深約為1 m；距離左岸10 m至左岸26 m左右，生物量呈現急劇下降趨勢，在距離左岸26 m左右處生物量幾乎為零，此位置水深大約3.6 m左右。右岸的生物量變化趨勢與左岸的生物量變化趨勢類似，因此水生植物主要在距離岸邊20 m之內的水域。

圖3 6個點位處渠段橫剖面Fig. 3 The transverse section of channel bottom in 6 points

圖4 點位1處生物量和渠底橫剖面示意圖Fig. 4 The biomass of aquatic plant and channel bottom transverse section in piont 1

3 討論

3.1 基于生物特性的人工應急除草措施

淠史杭灌區渠道內主要水生植物是多年生植物，其繁殖方式有無性繁殖、莖芽繁殖和母株分蘗等（表7）。人工打撈一直是灌區除草的主要方式，但如果實施的時間不合適，去除的僅僅是水生植物的部分莖，水生植物可以利用剩余部分莖最終發育生長，因此人工打撈時間是影響水生植物去除是否成功的關鍵。為了達到人工除草“事半功倍”效果，人工打撈最好在水生植物發育初期，此時水生植物生物量較少，水生植物分蘗較少，可以將水生植物盡最大可能的去除。淠史杭灌區的優勢水生植物除了菹草之外，其它優勢水生植物的發育期基本在3—5月，而菹草的發育期在上年12月至次年3月，因此建議淠史杭灌區水生植物人工打撈盡量按照“分類、分時”的原則，具有針對性的開展人工打撈作業。

表7 主要水生植物生長和繁殖的生物特性Table 8 The biological nature of growth and reproduction for aquatic plants

3.2 基于水體pH變化的除草措施

水體 pH值是影響水生植物的重要因素之一（Tsia et al.，2011），淠史杭灌區渠道的水體pH值介于7.0—8.6之間，水體呈堿性。淠史杭灌區的主要水生植物類型除了荇菜適宜的生長水環境為弱酸性（pH值5—7）之外，其它優勢水生植物適宜的生長水環境均為弱堿性（表8），因此可以通過調節局部水域的pH值調控水生植物的生長。在水生植物過度生長的水域，將水環境調節至弱酸性，pH值介于5—7之間，可抑制大部分水生植物的生長；在荇菜較多的水域將水環境調節至弱堿性，pH值介于7—8之間，可抑制荇菜的生長。

表8 主要水生植物生長適應的pH值Table 8 Adaptive pH for aquatic plants growing

3.3 基于疏浚的控草措施

渠道底泥疏浚是去除水生植物的最直接，也是最環保的方式之一，但是影響疏浚除草效果因素很多，例如疏浚時間、疏浚厚度和疏浚位置等。

疏浚時間對于水生植物去除的效果至關重要，疏浚時間不適宜，既不能去除水生植物，而且還對河底生態造成不良影響。疏浚時間效果最理想的時期是水生植物越冬期：在越冬期間，利用種子繁殖的水生植物，種子可能會沉入底泥；利用無性繁殖的水生植物，此時水生植物最少，且活性最低。在水生植物越冬期間對渠道進行疏浚，可以將水生植物“斬草除根”，但是由于灌區水生植物類型較多，在選擇疏浚時間應該綜合考慮，淠史杭灌區主要水生植物的越冬期主要集中在12月至次年2月，因此建議灌區渠道疏浚時間為每年12月至次年2月（表9）。

表9 主要水生植物的越冬時期和根系長度Table 9 The wintering period and root length of aquatic plants

疏浚厚度是影響水生植物去除效果的重要因素。水生植物根系長度是決定疏浚厚度的最重要參數，疏浚深度大于水生植物根系，就可以將水生植物“除根”，但如果疏浚厚度小于水生植物根系長度，利用疏浚措施很難對水生植物全部去除，剩余根系會為水生植物的下次發育提供基礎。灌區渠道內主要水生植物的根系除了生有不定根的水生植物之外，大部分水生植物的根系長度大約為20—30 cm，根據水生植物根系深度，疏浚厚度30 cm即可把大部分水生植物去除，因此僅從去除水生植物角度考慮，建議疏浚厚度30 cm。

疏浚位置既要最大限度的去除生長底泥中的水生植物，又要保證渠道岸提的安全。以點位1為例，水生植物主要分布距離岸邊20 m之內的區域（圖4），根據淠史杭灌區的渠道設計標準，總干渠的岸堤坡度系數為 2.5，在非灌溉時期，設計水深度5 m，因此距離岸邊大于2 m之外區域為疏浚部位，可直接疏浚至水深5 m處。干渠的水生植物分布于整個干渠河床，由于干渠的渠道是開地深挖，不存在岸堤潰堤風險，因此在干渠疏?？芍苯由钔诩纯?。

4 結論

（1）淠史杭灌區渠道內主要水草分為沉水植物、挺水植物和浮水植物三類，共計 16種，主要分布在距離岸堤20 m以內水域。4月3種類型水生植物生物量分別為 57.60、13.00、9.00 kg·m-2，7月分別為60.99、27.40、16.71 kg·m-2，9月分別為62.21、27.50、17.50 kg·m-2。

（2）水生植物生物量與氣溫和光照呈極顯著正相關（P＜0.05），相關系數分別為0.89和0.87；與氨氮、pH值呈顯著正相關（P＜0.05），相關系數分別是 0.76和 0.62；與濁度、流速呈顯著負相關（P＜0.05），相關系數-0.74 和-0.54。

（3）12月至次年5月開展人工打撈除草效果最好；pH值介于5—7之間可抑制除了荇菜之外大部分水生植物的生長；疏浚除草措施可在每年冬天12至次年2月實施，疏浚厚度30 cm左右，疏浚部位為距離岸邊2 m之外區域。